Система контроля параметров протонного пучка в лучевой терапии

Целью данной работы явилось создание в Медико–техническом комплексе Объединённого института ядерных исследований г. Дубна компьютеризированной системы контроля параметров протонного пучка в режиме реального времени, а также обеспечивающего её работу программного обеспечения. Основой для создания системы явились приборы:
• установленная на входе протонного пучка в процедурную кабину многопроволочная ионизационная камера, предназначенная для контроля горизонтального и вертикального профилей пучка;
• полупроводниковые диоды, как датчики ионизационных потерь энергии пучка при прохождении его через вещество;

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………..…..5
ГЛАВА 1. Некоторые методы регистрации ионизирующих излучений в протонной терапии…………………………………………………………8
1.1. Использование газовых ионизационных детекторов при мониторинге пучка протонов в лучевой терапии………………..……8
1.1.1. Процессы, протекающие в ионизационной камере в результате действия излучения:
o Ионизация газа излучением……………………………………………..8
o Диффузия электронов и ионов.………………………….…………..10
o Рекомбинация ионов…………………………………………………..….11
o Движение носителей заряда при наличии внешнего электрического поля………………………………………………………13
1.1.2. Плоские ионизационные камеры в токовом режиме………..14
1.1.3. Измерение тока, проходящего через камеру в токовом режиме, по потенциалу на внешнем резисторе…………………....17
1.1.4. Многопроволочные ионизационные камеры…………….…..…19
1.1.5. Системы контроля пучка, используемые в различных центрах протонной лучевой терапии:
o Автоматическая контрольно–регулирующая система с двойной обратной связью………………..………………………………20
o Трёхмерный детектор на основе стриповой плоскопараллельной ионизационной камеры………………..……22
o Метод графических плёнок………………..…………………………..23
1.2. Полупроводниковые детекторы для регистрации ионизирующего излучения………………..…………………………………25
1.2.1. Электропроводность в полупроводнике………………..…………25
1.2.2. Возможность измерения интенсивности излучения и ионизационных потерь энергии при помощи полупроводниковых приборов………………..…………………………..27
1.2.3. Процесс образования свободных носителей в полупроводнике под действием ионизирующего излучения…..28
1.2.4. Рекомбинационные явления в объёме полупроводникового прибора………………..………………………………………………………….29
1.3. Интегрирование сигнала с целью измерения заряда, образованного ионизирующим излучением………………..………….30
ГЛАВА 2. Система контроля профиля пучка и изменения кривой глубинного дозового распределения………………..…………….32
2.1. Контроль симметрии профиля протонного пучка при облучении пациентам………………..………………………………………………………..33
2.1.1. Обоснование выбора многопроволочной ионизационной камеры в качестве монитора профиля пучка протонов…………33
2.1.2. Устройство и работа используемой многопроволочной ионизационной камеры:
o Устройство ионизационной камеры, используемой в системе………………..………………………………………………………..34
o Образование сигнала на выходах камеры………………..……...35
2.2. Контроль изменения пробега протонного пучка при помощи полупроводниковых диодов………………..………………………………..36
2.2.1. Обоснование выбора полупроводникового диода для измерения линейных потерь энергии пучка протонов…………………………………………………………………………..36
2.2.2. Методика контроля изменения пробега протонного пучка по показаниям полупроводниковых диодов………………..…………….37
2.2.3. Определение толщины дополнительного замедлителя перед диодами………………..………………………………………………………….40
2.3. Аппаратная обработка сигналов с ионизационной камеры и с полупроводниковых диодов………………..………………………………..42
2.3.1. Аппаратная обработка сигналов с ионизационной камеры и с полупроводниковых диодов………………..……………………………..42
2.3.2. Использование модулей КАМАК в системе контроля протонного пучка:
o Краткое описание аппаратуры и принципа работы системы КАМАК………………..…………………………………………….43
o Использование модулей КАМАК при обработке сигналов с интегратора………………..………………………………………………...44
2.4. Компьютерная обработка показаний детекторов и их визуализация………………..……………………………………………………46
2.4.1. Структура программы, используемой в системе контроля протонного пучка………………..………………………………………………46
2.4.2. Программное управление считыванием данных с детекторов………………..……………………………………………………….48
2.4.3. Алгоритмы работы программы в различных режимах:
o Измерение фонового сигнала………………..……………………….49
o Калибровка ионизационной камеры………………..……………….50
o Калибровка чувствительности диодов………………..…………51
o Режим подбора толщины дополнительного
замедлителя………………..…………………………………………………53
o Калибровка пика Брэгга и аппроксимация его полиномом 3–ей степени………………..………………………………………………..54
o Совместная калибровка ионизационной камеры и пика Брэгга………………..………………………………………………………….57
2.2.4. Контроль параметров протонного пучка в режиме реального времени:
o Работа программы при нормальных параметрах пучка…….57
o Фиксирование перекоса профиля пучка протонов……………..59
o Вычисление изменения пробега протонного пучка……………60
2.3. Экспериментальная оценка потерь ионизационного тока на диффузию и рекомбинацию в используемой ионизационной камере.
o Метод экстраполяции показаний ионизационной камеры…63
o Определение коэффициента собирания заряда………………64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………….…….66
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………68